BIM và Computational Design

Ghi chép và tổng hợp của KTS Trần Quang Huy, về phần trình bày của Diễn giả Nguyễn Phước Long trong chương trình “ Cửa sổ Kiến trúc “ do ” Cộng đồng các văn phòng Kiến trúc “ tổ chức lúc 9h30 sáng thứ Bảy, 28/7/2018 tại AgoHub số 12 Hòa Mã, Hà Nội.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, chúng ta đang sống trong một bối cảnh “Chỉ có một thứ duy nhất không thay đổi chính là sự thay đổi”. Chuyên gia trẻ tuổi Nguyễn Phước Long ( ĐH Stuttgart, CHLB Đức ) trình bày, làm rõ các khái niệm căn bản về xu hướng Computational Design, mối liên hệ với xu hướng BIM cũng như sự tác động của các xu hướng công nghệ này với nghành xây dựng.

Trong khoảng 4h trao đổi diễn giả đã trình bày ngắn gọn các công trình nghiên cứu của Đại học Stuttgart nơi diễn giả đang công tác cũng như tham gia vào các nghiên cứu này. Các thành tựu đạt được trong nghiên cứu được làm rõ cùng với các thách thức của thực tiễn với công nghệ. Các xu hướng nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trong trường đại học lớn của quốc tế được diễn tả sống động và trực quan. Sự “thay đổi” cho hiện tại và tương lai với công nghệ của nghành xây dựng được nhìn nhận rõ ràng hơn, dễ hiểu hơn. Buổi thảo luận nhận được nhiều ý kiến có chiều sâu của các kiến trúc sư lão thành và các kiến trúc sư đang hành nghề nhiều kinh nghiệm ở thế hệ 7x. Thế hệ đi trước đã đến tuổi “xưa nay hiếm” nhưng vẫn đầy khát khao và phấn khích khi thấy được sự đóng góp của công nghệ với nghành xây dựng nói chung và kiến trúc nói riêng. Các ý kiến phát biểu của các thày Nguyễn Tiến Thuận, Đoàn Khắc Tình, Hoàng Hữu Phê, Nguyễn Phước Thiện, Trần Thanh Bình… đều cho thấy chiều sâu về kinh nghiệm nghề nghiệp, và thái độ cầu thị ủng hộ cái mới, ủng hộ sự thay đổi, ủng hộ mọi sáng tạo không giới hạn cùng với cảm xúc nghề nghiệp bất tận.

Xu hướng BIM ra đời và bắt đầu phát triển mạnh từ những năm 2010 đến nay, đến thời điểm hiện tại các tranh cãi về việc có theo BIM hay không gần như không còn, mà chỉ có các thảo luận nên thực hiện BIM như thế nào cho phù hợp với bối cảnh, xã hội và địa phương.

BIM hướng tới việc số hóa toàn bộ các hoạt động trong nghành xây dựng, các công cụ BIM hiện nay có rất nhiều để phục vụ mục tiêu này. Tuy nhiên với sự phát triển và sáng tạo không ngừng của nghành kiến trúc, các công cụ BIM tool phục vụ cho các hình thái kiến trúc của thế kỷ 20 đang gặp những hạn chế nhất định. Thời đại của Le Corbusier với các cấu trúc căn bản của bê tông, dầm, cột, tường bao che, hệ thống lưới trục đang là không đủ với nhu cầu của thời đại mới. Các thiết kế kiến trúc đương đại yêu cầu đột phá về vật liệu, không gian và cả giải pháp thi công, các công trình của các kiến trúc sư danh tiếng như của Zaha Hadid, Rem Koolhaas, Patrick Schumacher, đang phá vỡ các rào cản của công nghệ xây dựng truyền thống, các cấu kiện mái, tường, sàn không được phân biệt rõ ràng, chỉ có các cấu trúc xây dựng tạo nên các không gian kiến trúc. Các hạn chế của các công cụ BIM hiện tại bộc lộ với các công trình dạng này, khi đại đa số vẫn phục vụ cho các hình thái kiến trúc căn bản được đặt nền móng từ Le Corbusier.

Computational Design ra đời tiếp nối nhu cầu sáng tạo không có giới hạn, tạo lập các cấu trúc xây dựng phức tạp, đột phá về vật liệu, tạo ra các giải pháp thiết kế vượt trội dựa vào khả năng của phương tiện điện toán, và các nguyên lý trong ngành điện toán có thể xử lý các khối lương thông tin lớn. Trong khoảng hai năm gần đây BIM và Computational Design bắt đầu giao thoa và gặp nhau nhiều hơn trong các dự án xây dựng.

Ví dụ về hướng tiếp cận này là dự án nghiên cứu Laga Exhipition Pavilion (2012) của viện ICD thuộc đại học Stuttgart. Giả định giải quyết vấn đề của dự án nghiên cứu này là tính toán tạo ra một không gian được bao che bằng gỗ thông dụng nhưng với số lượng gỗ tối thiểu. Sử dụng sức mạnh điện toán một cấu trúc vỏ mỏng phức tạp được tính toán chi tiết trên máy tính. Các tấm gỗ là không giống nhau được cắt gọt thực hiện bởi Robot trong phòng thí nghiệm, sau đó được mã hóa và lắp dựng theo phương pháp xây dựng thông thường ngoài hiện trường. Cấu trúc vỏ mỏng bằng gỗ có tỷ số vật liệu bao phủ không gian rất nhỏ, nếu so sánh với một vỏ quả trứng, tỷ số này nhỏ bằng 1/4 của tỷ số vỏ trứng trong tự nhiên. Sự vượt trội về giải pháp là khả năng phân tích tính toán chi tiết cho từng tấm panel gỗ để tối ưu vật liệu và khả năng chịu lực, đồng thời tạo dữ liệu để robot có thể chế tạo với độ chính xác cao.

Ví dụ thứ hai cho việc tiếp cận hướng nghiên cứu này là dự án ICD/ITKE Research Pavilion 2015-2016, các tấm gỗ được liên kết phức tạp hơn sử dụng một Robot và một máy may công nghiệp, phối hợp để tạo các đường may công nghiệp cho các chi tiết gỗ rất nhỏ, số lượng gỗ là tối thiểu chỉ khoảng vài m3 nhưng có thể bao phủ một không gian rộng vài trăm m2.

Hướng tiếp cận này có tính ứng dụng khá cao, ví dụ đơn giản là tạo các hiệu ứng thẩm mỹ cho các bức tường gạch được thực hiện bằng robot. Các góc xoay của gạch được tính toán và thực hiện chính xác bằng robot với sức mạnh điện toán.

Ví dụ khác về xu hướng này được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Thụy Sỹ “Block Research Group” thuộc trường “ETH Zurich”. Pavilon được làm bằng đá, lấy từ mỏ đá tại Mỹ được lập trình để cắt gọt bằng máy. Các tấm đá được vận chuyển tới Venize được tính toán để lắp dựng tạo nên một cấu trúc đá có thể tự đứng vững không cần tới các vật liệu liên kết.

Ví dụ về hướng tiếp cận này là hai dự án thực hiện bằng sợi Carbon của nhóm nghiên cứu của viện ICD.

Dự án ICD/ITKE Research Pavilion 2014-2015 lấy cảm hứng từ nhện nước trong tự nhiên, một cấu trúc bằng bong bóng nhựa được bơm căng, sau đó sử dụng robot phía trong được lập trình thi công các sợi carbon chịu lực để tạo ra lớp vỏ bao che. Dự án chinh phục thách thức sử dụng vật liệu mới, khó tính toán được khả năng tạo hình khi vật liệu đông kết,(thời gian định hình của một đoạn sợi carbon khoảng 1h đồng hồ kể từ khi được robot dệt trên lớp vỏ được thổi khí). Vật liệu hao hụt để xây dựng cấu trúc gần như bằng 0 với dự án này, loại bỏ hoàn toàn yếu tố cốt pha định hình.

Dự án thứ hai ICD/ITKE Research Pavilion 2016-2017, chinh phục thách thức sử dụng vật liệu mới tạo ra cấu trúc vươn conson khẩu độ lớn, nằm ngoài cả tầm với của cánh tay robot. Nhóm dự án đã thực hiện lập trình để hai robot kéo căng và dệt các sợi carbon ở hai đầu, các sợi carbon này được vận chuyển phối hợp qua lại bằng một robot bay (drone). Ba cỗ máy được lập trình để tạo ra một cấu trúc mỏng nhưng có khả năng vượt nhịp và chịu lực phi thường.

Các công cụ quan trọng để tiếp cận Computational Design là các phần mềm Visual program (lập trình trực quan) đại diện là hai phần mềm Grasshoper và Dynamo, một phần mềm được viết thêm từ phần mềm dựng 3D, Rhino, một phần mềm mới được phát triển thêm để phối hợp với Revit. Người thiết kế tạo ra các cấu trúc kiến trúc tự do thông qua visual program, sau đó sử dụng các Plug-in chuyên dụng trích xuất ra các thông tin hình học chủ chốt, cuối cùng tái thiết lập mô hình trong các phần mềm tạo lập mô hình BIM, từ đó thiết lập tài liệu theo khuynh hướng BIM

Ví dụ là một dự án của văn phòng kiến trúc Zaha Harid đã cộng tác với diễn giả để thực hiện theo phương thức này.

Đây là một xu hướng áp dụng Computational Design khá quan trọng trong thực tế. Người thiết kế đặt các điều kiện và thiết lập các quá trình logic tính toán, phần mềm sẽ tìm ra các giải pháp tối ưu theo điều kiện một cách nhanh chóng để người thiết kế lựa chọn.

Diễn giả giới thiệu công cụ phần mềm do chính anh là tác giả, với mã nguồn mở và hoàn toàn miễn phí, được sử dụng khá rộng rãi trong giới nghiên cứu Computational Design là Dyna Shape được mở rộng từ phần mềm Dynamo.

Dyna Shape cho phép tìm kiếm, mô phỏng các hình dáng kiến trúc khả dụng, thông qua các nguyên lý toán học, vật lý cơ bản, phương pháp đã được các kiến trúc sư như Antoni Gaudi áp dụng từ thế kỷ 19.

Dự án thực tế của văn phòng Zaha Hadid khi áp dụng công cụ này để tìm kiếm hình dáng và giải pháp cho mái kính của công trình.

Các ví dụ về phương pháp này được mô phỏng trực quan trên phần mềm khi có thể mô phỏng các hình khối phát sinh khi áp dụng các quy luật toán học và vật lý, như kéo căng một vài điểm tạo các vùng lõm trên một bề mặt. Các mô phỏng chính xác và hoàn hảo đúng với các quy luật vật lý trong tự nhiên.

Dyna Shape được mở rộng từ Dynamo nên có thể dễ dàng phối hợp với Revit để tạo ra dữ liệu xây dựng theo khuynh hướng BIM cho các cấu trúc kiến trúc có hình học phức tạp

Một hướng áp dụng quan trọng của Computational Design trong thực tế là khám phá trực quan nhiều giải pháp thiết kế cho một vấn đề cần giải quyết.

Ví dụ về việc tận dụng năng lực điện toán, để có thể đề xuất rất nhiều giải pháp sắp xếp mặt bằng, với các modun kiến trúc được chuẩn hóa. Mỗi phương án tạo ra được tính điểm và tạo ra đồ thị so sánh các mức độ ưu tiên mà phương án đó nhắm đến.

Đây là ứng dụng quan trọng trong thực tế thiết kế, chỉ trong một thời gian ngắn với các cấu trúc phòng ốc được định hình chuẩn hóa, kiến trúc sư có thể thực hiện sắp xếp rất nhiều phương án mặt bằng để lựa chọn.

Áp dụng trong thi công với một diện tích công trường được quy định, máy tính có thể giúp người quản lý khám phá nhanh chóng rất nhiều cách thức sắp xếp và tổ chức công trường khác nhau.

Trong một thời gian ngắn với khả năng diễn đạt tuyệt vời, diễn giả Nguyễn Phước Long đã giúp mọi người hình dung sơ bộ và các hướng phát triển của công nghệ thông tin, tác động đến nghành xây dựng và kiến trúc. Sự phát triển được nhìn nhận đầy đủ khoa học, các tiến bộ được làm rõ cùng với các thách thức cho công nghệ trong tương lai. Hai xu hướng BIM và Computational Design đang ngày càng có nhiều điểm hội tụ, giao thoa, đòi hỏi về khả năng học tập không ngừng là yêu cầu tất yếu của thời đại. Các kiến thức thậm chí còn chưa có đầy đủ sách vở hoàn thiện cũng đã phải tiếp cận và tìm hiểu, khó khăn và thách thức luôn hiện hữu, nhưng có “cảm xúc” và sự “say mê” mọi người đều có thể tiếp cận những vấn đề hóc búa đương đại.